Si bien se genera mucho entusiasmo en cuanto al rol que tienen los sensores en la tecnología ponible y los teléfonos inteligentes, los consumidores ya están rodeados de sensores en sus vehículos; sensores que controlan la eficiencia y seguridad de la forma en que conducen, les informan la condición del vehículo y ajustan los sistemas del vehículo para un rendimiento óptimo. De hecho, el automóvil es uno de los sistemas con más sensores que se usa comúnmente en la actualidad.
Y esto es solo el comienzo. En un futuro no muy lejano, los automóviles podrán funcionar como choferes. Nos llevarán automáticamente a un destino sin que tengamos que presionar el acelerador o tocar el volante, evitarán obstáculos con cuidado y elegirán la ruta más eficiente mientras nos mantienen entretenidos. Para llegar a ese estado, los automóviles tendrán una variedad de nuevas capacidades de detección que funcionarán de forma conjunta para permitir decisiones y acciones inteligentes.
Los sensores automotrices de la actualidad
En la actualidad, los automóviles dependen de los sensores para realizar un sinfín de funciones. Entre los sensores más comunes se encuentran los acelerómetros de los airbags, los sensores de presión absoluta de los colectores (MAP), los sensores de velocidad de rotación y los monitores de presión de los neumáticos.
La ley de EE. UU. exige el uso de airbags para la seguridad del pasajero desde 1984. Hoy, la mayoría de los sistemas de airbags usan acelerómetros basados en sistemas microelectromecánicos (MEMS) para detectar la desaceleración rápida (choques), y algunos vehículos usan hasta 12 sensores para los choques frontales, laterales y traseros. Entre los principales productores de acelerómetros para choques, se incluyen Analog Devices, Texas Instruments, Freescale Semiconductor e Infineon.
La Agencia de Protección Ambiental (EPA) de Estados Unidos fue responsable de la inclusión de los sensores MAP para reducir la contaminación atmosférica y maximizar el ahorro del combustible. Los sensores MAP miden la presión en el colector de admisión. Luego, esas mediciones se envían a una computadora integrada que determina la mezcla óptima de aire y combustible. Algunas compañías que fabrican estos sensores son Honeywell, Freescale y EPCOS.
Los sensores de velocidad de rotación, los cuales miden la velocidad de rotación alrededor de un eje central, se usan junto con un GPS para determinar la ubicación del vehículo. También se usan para determinar la orientación del vehículo si este comienza a dar vuelcos o a derrapar sin control. Analog Devices, Omron y Murata han presentado soluciones basadas en el MEMS para los vuelcos, la navegación y el control dinámico del vehículo.
Debido a que los neumáticos con poco aire generan problemas de seguridad (crean calentamiento y desgaste excesivo del neumático y aumentan la probabilidad de pinchazos) y disminuyen el ahorro de combustible, la Administración Nacional de Seguridad Vial (NHTSA) de Estados Unidos dictaminó la inclusión de un cronograma para sistemas de monitoreo de presión de neumáticos para los automóviles modelo 1995. Estos sistemas de monitoreo han sido obligatorios para los automóviles nuevos vendidos en Estados Unidos desde 2007.
Los típicos sensores de TPMS de la actualidad usan MEMS para medir la presión de los neumáticos de forma directa. Este sistema se instala en la llanta de cada neumático y envía las lecturas de forma inalámbrica a un módulo de control para su análisis e interpretación. No se necesita un nuevo sensor cada vez que se cambia un neumático, si bien es recomendable recalibrar los sensores cada cierto tiempo, de la misma forma que se vuelven a balancear los neumáticos.
Recientemente, Freescale presentó el TPMS FXTH8715, el cual está diseñado para camiones y otros vehículos grandes (imagen 1). Se dice que esta serie es el TPMS inalámbrico completamente integrado más pequeño (7 mm x 7 mm x 2,2 mm) y de mayor precisión (±17 kPa) de la industria. En un único encapsulado de QFN, el sistema integra sensores de presión y de temperatura y un acelerómetro de eje único (eje Z) o eje doble (ejes X e Y) con un transmisor de radiofrecuencia, un receptor de baja frecuencia de 125 kHz y un microcontrolador de 8 bits (núcleo S08) con SIM, interruptor y depuración/monitoreo. Este sistema puede recolectar y transmitir datos de presión, temperatura y aceleración de forma inteligente que permiten la ejecución de análisis sofisticados para no solo mejorar el mantenimiento de la flota, sino transformar el TPMS en un nodo terminal de valor agregado de la IoT.
Para combustibles alternativos
Los principales fabricantes de vehículos y sus más importantes proveedores están trabajando en nuevas aplicaciones basadas en sensores para los vehículos de última generación. Los sensores de mayor interés para vehículos que usan combustibles alternativos (como diésel, híbridos, electricidad, gas natural e hidrógeno), son los sensores que mejoran la navegación, los sensores que monitorean el rendimiento y los sensores que permiten la operación automática.
Los requisitos más estrictos sobre emisiones han llevado a que los fabricantes de vehículos que utilizan diésel adopten varios sistemas nuevos que necesitan sensores especializados, por ejemplo, sensores que miden la presión dentro de los cilindros. Sensata, junto con Beru, ha desarrollado un sensor de presión dentro del cilindro que usa un extensómetro de efecto piezorresistivo. Este se usa actualmente en la producción de vehículos VW. Optrand está desarrollando sensores reforzados que usan detección de fibra óptica. El objetivo es tener sensores que soporten temperaturas de hasta 350 °C y operen bajo presiones de hasta 30 000 psi con una precisión del 1 %.
Además, se usan sistemas de reducción catalítica selectiva (SCR) para el tratamiento posterior de los gases de escape. Un sistema de SCR típico tiene 14 sensores, incluidos diez sensores de temperatura, tres sensores de presión y un sensor de calidad de la urea. Este último sensor controla las concentraciones necesarias de urea y la presencia de líquidos no deseados.
Measurement Specialties (una compañía de TE Connectivity) presentó recientemente el producto FPS2800B12C4, un sensor de propiedades de fluidos ideal para aplicaciones automotrices. Se puede instalar directamente en la galería de aceite del motor o en el sistema de combustible para controlar la calidad y la lubricación. Es un módulo completamente integrado con todos los sensores necesarios y un microprocesador integrado que puede aceptar tensiones automotrices típicas (12 V o 24 V) y está contenido en un encapsulado muy reforzado para su uso en entornos corrosivos o de alta presión/alto flujo. El módulo está calibrado de fábrica con fluidos identificables del Instituto Nacional de Normas y Tecnología (NIST) y usa el protocolo universal CAN J1939 para conectarse a un controlador host.
Imagen 2: Los sensores de TE Connectivity usan una tecnología de diapasón patentada para monitorear múltiples propiedades físicas de un fluido y procesar simultáneamente las relaciones dinámicas entre las propiedades.
Un componente clave de los vehículos alimentados por pila de combustible de hidrógeno es el monitoreo de la presión del tanque. American Sensor Technology brinda un sensor de presión para entornos extremos que usa un extensómetro de efecto piezorresistivo que está disponible en un formato de 300 psi para el lado bajo y en un formato de 3000 psi para el lado alto de los sistemas de tanques de combustible de hidrógeno. Estos sensores pueden soportar la corrosión del hidrógeno a temperaturas de hasta 145 °C y tienen una precisión de ± 1,0 %. Actualmente se los instala en vehículos de transporte grandes y se los está probando en una flota de alquiler europea de Mercedes Benz.
Para los vehículos eléctricos y convencionales, Freescale Semiconductor presentó un sensor inteligente de monitoreo de batería, el MM912x637, compatible con las baterías de plomo de 12 V y las baterías de ion de litio de 14 V. Este sensor determina el estado de carga, el estado de mantenimiento y el estado de funcionamiento de la batería midiendo la corriente, la tensión y la temperatura de la batería y enviando los datos a un microcontrolador con algoritmos de rendimiento de batería integrados. También brinda una advertencia temprana sobre descarga y desgaste inusuales de la batería (imagen 3).
Imagen 3: El sensor MM912x637 de Freescale, mostrado aquí dentro de un conector de cable de batería, es un sensor de monitoreo de baterías que mide la corriente, la tensión y la temperatura de las baterías para brindar advertencias tempranas sobre descarga y desgaste de la batería. (Fuente: www.electronicproducts.com)
Hacia los vehículos automáticos
En el Consumer Electronics Show de enero pasado, Daimler mostró su prototipo del automóvil Mercedes-Benz F015, y Audi exhibió un Q7 cargado con un sistema de "conducción pilotada". Para que los vehículos automáticos se hagan realidad, se necesita una amplia gama de sensores nuevos. Por ejemplo, se necesitarán varios tipos de sensores de distancia y de imagen para el control de velocidad crucero adaptativo y el control de frenado de emergencia, para el cambio de carril y los puntos ciegos, y para el estacionamiento asistido. Actualmente, se están evaluando muchas tecnologías para la asistencia automática de conducción con el fin de aumentar la seguridad del vehículo.
Uno de dichos sistemas de distancia es Leddar. Este sistema fue originalmente descubierto por el Instituto Nacional de Óptica (National Optics Institute) de la ciudad de Quebec City y desarrollado y comercializado por LeddarTech. El sistema Leddar usa el tiempo de vuelo de señales lumínicas generadas por LED y algoritmos únicos para detectar, localizar y medir objetos en el rango de visión. Para hacerlo, envía pulsaciones de luz muy cortas, alrededor de 100 000 por segundo, para iluminar de forma activa un área de interés. La luz retrodispersada desde los objetos (quietos o en movimiento) sobre el área de detección de Leddar se captura mediante detectores PIN o detectores de fotodiodo de avalancha (u otros) y se analiza con una tecnología patentada de circuitos integrados de procesamiento de señales, LeddarCore, la cual brinda algoritmos de alta eficacia para indicar la ubicación y otros atributos de los objetos con precisión (imagen 4). Una ventaja particular del sistema Leddar es que ofrece un rendimiento a corta y larga distancia, de modo que se puede emplear para diferentes tipos de asistencia de conducción.
Imagen 4: El sistema Leddar de LeddarTech emplea mediciones de tiempo de vuelo de pulsaciones de luz para determinar la distancia y demás atributos de un objeto usando la tecnología de hardware y software de procesamiento de señales Leddar Core. (Fuente: www.azosensors.com)
Texas Instruments ofrece actualmente el diseño de referencia para TIDA-00151 para desarrollar diversas aplicaciones, como asistencia ultrasónica para estacionamiento, estacionamiento automático y detección de puntos ciegos. El módulo usa el producto PGA450-Q1 de TI, un circuito integrado de sensor de sistema en chip (SoC) para sensores ultrasónicos automotrices. El SoC brinda acondicionamiento y procesamiento de todas las señales para las señales de eco del transductor y para calcular la distancia entre el transductor y los objetos. La MCU y la memoria de programa del SoC permiten la configuración total para la aplicación final específica.
Los sistemas de navegación también deben ser más precisos y confiables en los vehículos autónomos. Los giroscopios de MEMS de onda acústica de volumen (BAW) de Qualtré brindan varias ventajas de rendimiento atractivas en comparación con otros giroscopios de MEMS para esta aplicación: precisión, resistencia al impacto y a la vibración, operación en alta frecuencia, alta calidad sin empaquetado al vacío y alta confiabilidad mediante la inmunidad a la fricción estática. El proceso de fabricación, llamado "silicio poli y monocristalino combinado de alta proporción" (HARPSS), hace que los dispositivos de BAW se puedan fabricar en masa de forma confiable.